Aço Alumínio
7.2.3 Estudo da interface alumínio-aço e a ausência de compostos intermetálicos
O objetivo do uso da SAPNC na união de juntas alumínio-aço é de evitar a formação de CIM. Toda a literatura a respeito - resumida na seção 3.6 e na Tabela 3.3 - coincide nesse ponto; porém, os resultados alcançados ressaltam a formação de fases deletérias AlxFey, como ilustrado
na Figura 7.10.
Figura 7.10. Compostos intermetálicos formados na SAPNC de juntas alumínio-aço. CIM identificado como: a) Al5Fe2(9CHEN, 2004), b)Al4Fe (LEE, 2006).
Deste grupo de trabalhos, destaca-se aquele realizado por Chen (92004), que tenta discutir os mecanismos que originam os CIM na SAPNC de juntas alumínio-aço. Chen realizou medidas de temperatura e simulação computacional do ciclo térmico (Figura 7.11) que lhe permitiram determinar a temperatura máxima e o ponto onde ela ocorre na junta. As temperaturas máximas obtidas da simulação atingem os 532 e 665 °C para as interfaces pino-alumínio e pino-aço, respectivamente. Com esta informação, o autor considera que há presença de alumínio no estado líquido durante a soldagem e sugere que esta condição promove a formação dos CIM.
Para Girard (2010), a consolidação da junta e a formação dos CIM Al5Fe2 e Al3Fe não envolvem a presença de líquido e sim, de temperatura e tempo suficientes para a difusão atômica, no que ele denomina de Friction Stir Diffusion Bonding. Nas outras pesquisas, nenhum dos autores tenta entender os mecanismos por trás da formação dos CIM.
a)
b)
30 m 6 m 6056 SS 304 Capa misturada CIMDeixando um pouco de lado a literatura e voltando para as juntas alumínio-aço deste trabalho, os resultados obtidos durante a caracterização da interface alumínio-aço na seção 6.3.4 descartaram a formação de CIM para as duas condições de soldagem DT +0,5 e +1,5 mm.
Figura 7.11. a) Ciclos térmicos medidos no alumínio e no aço a 4,5 e 3,5 mm da linha da junta, respectivamente. b) Simulação da distribuição de temperatura máxima na junta para DT 1,0 mm. Adaptado de Chen (92004).
As medidas de composição química obtidas por X-EDS e a caracterização realizada por meio de difração de raios X (DRX), apresentados na Figura 6.22 e na Figura 6.26, respectivamente, não permitem confirmar a ausência de CIM na interface, porém aportam indícios nessa direção. Os resultados contundentes vêm das imagens realizadas utilizando MET, imagem apresentadas na Figura 6.27; estas são conclusivas ao descartar a formação de fases deletérias do tipo AlxFey nas duas condições de soldagem avaliadas: DR +0,5 e +1,5 mm.
As medidas de temperatura e a simulação da história térmica, mostraram que as juntas finais foram realizadas com baixo aporte térmico. Esta afirmação se vê reforçada pela própria ausência da zona de menor dureza (ZMD) na ZTAAl, e o reduzido tamanho de grão medido na ZM. Portanto, a ausência de CIM, assim como as outras características microestruturais destacadas, se deve ao baixo aporte térmico e à menor temperatura atingida pela junta soldada (ver a Tabela 5.4).
O efeito do AT na redução da camada de CIM formada foi previsto por Tanaka (2009). Girard (2010) forneceu pistas adicionais nesse sentido. No seu trabalho, Girard realizou
b)
a)
Distância desde a interface [mm]
Aço T em p er at u ra [° C] T empera tura [ °C] Tempo [s] Alumínio DT 1,0 mm 5,5 mm 4,5 mm 3,5 mm Aço Alumínio R R
soldagens a 900 RPM em duas condições: 20 e 100 mm.min-1, identificando as juntas como a de maior e a de menor aporte térmico, respectivamente. Na primeira junta, foram gerados CIM facilmente observados na interface alumínio-aço, sendo maior a espessura no topo que na raiz (Figura 7.12a-b). No segundo caso, aparentemente, os CIM não são visíveis em MEV, porém, são evidentes através de MET (Figura 7.12c-d). A Figura 3.19 e a Figura 7.12 retratam fielmente a relação entre a espessura dos CIM e o aporte térmico.
Figura 7.12. Juntas alumínio-aço obtidas por SAPNC. Imagens da junta de maior AT: a) no topo da junta, com presença de CIM espessa; b) na raiz da junta, com uma camada fina de CIM. Imagens da junta de menor AT: c) imagem de MEV da interface aparentemente livre de CIM, d) imagem de MET da mesma amostra com presença de uma camada fina e heterogênea de CIM. Imagens adaptadas de Girard (2010).
Como dito anteriormente, neste projeto, as juntas finais se encontram livres de CIM; porém, não se estabeleceu qual foi o parâmetro ou mecanismo que evitou sua formação. Na seção seguinte será abordada esta questão.
Explicação da ausência de CIM através dos mecanismos para a formação de CIM
Na seção 3.7, foram descritos os mecanismos para a formação de CIM em estado sólido e a partir do líquido. Usando esse marco teórico e os resultados descritos ao longo do presente texto, resta determinar qual foi a causa que evitou a formação dos CIM nas juntas finais.
a)
150 nm 4,0 m 1,0 m 5,0 m Aço Açob)
Alc)
d)
Al Aço Al Al Açoa) Formação de CIM em estado sólido
A formação de CIM em estado sólido pela difusão de elementos através da matriz requer basicamente de temperatura e tempo suficientes para favorecer a nucleação e o crescimento das fases. Estes parâmetros são controlados pelo aporte térmico, que, simultaneamente, determina a história térmica durante o processo de soldagem.
Um exemplo disso é representado na Figura 7.13, que corresponde à junta alumínio-aço soldada por GMAW a velocidades de soldagem de 200, 400 e 600 mm.min-1. O aumento na velocidade de soldagem reduz o aporte térmico, com a posterior diminuição da espessura da camada de CIM.
Figura 7.13. Microestrutura na interface alumínio-aço após soldagem mediante MIG empregando três velocidades de soldagem diferentes: a) 200, b) 400 e c) 600 mm.min-1. Adaptado de Murakami (2003).
Na SAPNC de ligas de alumínio, a temperatura máxima pode ultrapassar 550 °C, porém um aumento drástico no aporte de calor não necessariamente acarreta em elevação da temperatura máxima na mesma proporção. Quando o alumínio é unido ao aço por meio de SAPNC, o aumento local da temperatura durante o processo é evidente. Como visto na seção 3.7, a elevação de temperatura aumenta a difusividade atômica, facilitando o enriquecimento da matriz de alumínio com átomos de ferro. Esta condição reduz substancialmente o tempo de incubação dos CIM, o que se traduz na formação de camadas de CIM mais espessas.
Com esses elementos a favor, é de se esperar a formação de compostos AlxFey nas junções
alumínio-aço, inclusive durante processos como a SAPNC. Apesar de a SAPNC ser considerada um processo de soldagem de baixo aporte térmico, a adequada seleção dos parâmetros de soldagem permitiria a redução adicional do AT e, portanto, a diminuição da temperatura máxima durante a soldagem. ZTMAAço 20 µm Camada CIM c) ZTMAAço 20 µm Camada CIM b) ZTMAAço 20 µm Camada CIM a)
Em juntas soldadas com velocidades de rotação elevadas, como 900 e 1600 RPM (pontos 5 e 9 da Figura 7.1), espera-se um aumento considerável da temperatura por ação do atrito; portanto, a formação de CIM é previsível para esses casos.
Na seção 6.3.4 - Interface alumínio-aço, foi calculada a distância difundida pelo ferro na matriz de alumínio, antes de atingir a composição química da fase Al3Fe, resultados apresentados na Figura 6.25. A simulação computacional da história térmica para as juntas soldadas com DT +0,5 e + 1,5 mm determinou a temperaturas máximas de 386 e 405 °C, respectivamente. Para essas temperaturas e usando a Figura 6.25, a largura da banda de alumínio enriquecida em ferro é inferior a 0,15 µm para ambos os casos. Portanto, se fosse formada uma camada ou partícula de Al3Fe, ela teria uma espessura inferior a 0,15 µm.
Um parâmetro que favorece a formação de CIM é a compressão que a ferramenta exerce sobre a junta. Para uma mesma temperatura, o aumento na compressão diminui o tempo de incubação ao aumentar a área de difusão atômica entre os metais, devido ao achatamento dos picos de rugosidade das superfícies em contato (RATHOD, 2004). Portanto, a espessura antes calculada de 0,15 µm aumentaria, beneficiando a formação de Al3Fe.
Uma relação entre a temperatura e a espessura dos CIM em juntas alumínio-aço soldadas por difusão foi determinada por Nicholas (1982), que produziu juntas por difusão aplicando uma pressão de 50 MPa por 30 min a temperaturas diferentes. Os resultados dessa pesquisa são a curva e a equação apresentadas na Figura 7.14.
X = Ae
-B/T
Onde: X: espessura do CIM em µm A: constante igual a 5,44 x 1010 µm B: constante igual a 19325 K T: temperatura em KFigura 7.14. Curva (com detalhe) da relação entre a espessura do CIM e a temperatura, calculada por meio da equação definida por Nicholas (1982) em juntas alumínio-aço soldadas por difusão empregando pressão de 50 MPa por 30 min.
Utilizando essa curva e a temperatura máxima calculada para a junta soldada com DT de +1,5 mm (405 °C), o gráfico obtido por Nicholas (1982) revela que se espera a formação de uma camada de CIM inferior a 0,05 µm. Considerando que esse gráfico se baseia na sustentação da temperatura por 30 min., o tempo estimado a alta temperatura (15 s) para as juntas soldadas no projeto em curso, é insignificante, o que explicaria a ausência de CIM nas juntas finais produzidas neste projeto.
Portanto, a redução do aporte térmico, derivado da combinação de velocidades de avanço e rotação adequadas, possibilitou a definição de uma janela de parâmetros que permitiu, além da produção de juntas soldadas consolidadas, a obtenção de juntas sem a formação de CIM.
b) Formação de CIM a partir do líquido
Antes de começar o processo de transformação, é necessária a presença de alumínio líquido, estado que pode ser obtido por duas vias: 1) Pela fusão parcial do alumínio ao atingir temperaturas muito elevadas, 2) por meio de liquação constitucional dos precipitados da liga 6063 devido ao aquecimento do metal a taxas muito elevadas, levando à fusão fora do equilíbrio. 1) Segundo Gerlich (2007), a fusão parcial do alumínio nas ligas AA2024 e AA7075 durante a
SAPNC é provável (Figura 3.6). No entanto, as evidências da formação de líquido são aniquiladas pela deformação severa. Gerlich assegura que o líquido é responsável pelo escorregamento da ferramenta durante a soldagem, além da formação do eutético
Al+Al2CuMg, nestas ligas. A confirmação da ocorrência deste tipo de fusão se dá principalmente pela formação de fases eutéticas como Mg+Mg17Zn na junta dissimilar magnésio-aço (LIYANAGE, 2009).
Em trabalho derivado da SAPNC de juntas alumínio-cobre, Ouyang (2006) realizou um levantamento cuidadoso da história térmica durante a soldagem. Estas medições permitiram comprovar que a temperatura máxima na interface alumínio-pino é superior à temperatura de fusão da liga de alumínio (Figura 7.11b). Os resultados da caracterização microestrutural levam a sugerir a fusão parcial do alumínio como promotor da formação de dendritas da fase Al, bem como dos CIM Al2Cu e AlCu.
A fusão local do alumínio está especialmente condicionada pela velocidade de rotação para juntas formadas por chapas finas; mas, no caso de chapas espessas e metais mais duros, a
velocidade de avanço e a penetração se tornam parâmetros preponderantes.
Independentemente da espessura das chapas, em juntas dissimilares envolvendo materiais com grandes diferenças de propriedades mecânicas e físicas, o aumento no deslocamento da ferramenta se traduz em elevação na temperatura máxima, localizada na interface entre a ferramenta e o metal mais duro.
No processo de soldagem das juntas finais, os parâmetros utilizados, 300 RPM e 150 mm.min-1, são menos severos que os reportados na literatura e resumidos na Tabela 3.3. Esta condição representa um aporte térmico menor, que leva à redução na temperatura máxima da junta.
O levantamento da história térmica confirma que a temperatura máxima atingida na junta é inferior a 400 °C (Figura 5.11). A simulação computacional da temperatura (Figura 6.39) e o reduzido tamanho de grão na zona misturada (Figura 6.16) respaldam esta afirmação. Portanto, não existe uma região na junta soldada em que a temperatura máxima supere a temperatura de fusão calculada para a liga 6063 de 550 °C, como se observa na Figura 6.37. 2) Outra possível fonte de líquido durante a SAPNC é a fusão parcial de alumínio por meio da liquação constitucional, fenômeno discutido na seção 3.1.2. A fusão parcial durante a SAPNC está em contínuo debate; porém, mais curiosa ainda é a ocorrência de liquação constitucional. Esta já foi observada na ZTMA da junta 7050-7451 (Figura 7.15a) e nas ligas AA5083, AA5251, AA2024 e AA1050, sendo que, para esta última, ocorre pela dissolução dos precipitados Al12Mg17 (THREADGILL, 2009; GERLICH, 2011).
Figura 7.15. a) Evidência de fusão parcial do alumínio em junta soldada AA7075-7451 obtida por SAPNC. Adaptado de Threadgill (2009). b) Formação de filme e eutético pela liquação dos precipitados Al2CuMg da liga 2024. Adaptado de Gerlich (2011).
10 m 10 m
a) b)
Filme
A liga AA2024 contém precipitados Al2CuMg de baixo ponto de fusão. O aumento na velocidade de rotação eleva a temperatura máxima e a taxa de aquecimento, promovendo a liquação dos precipitados (Figura 7.15b). A redução na velocidade de avanço favorece a dissolução dos precipitados evitando a formação de filmes líquidos (GERLICH, 2011). Para a ocorrência de liquação constitucional, a temperatura máxima e a taxa de aquecimento devem ser suficientes para inibir a dissolução completa dos precipitados (KUO, 2003). A alta temperatura e com os precipitados ainda em estado sólido, há duas possibilidades para que se ocorra a liquação: 1) pelo enriquecimento da matriz com átomos oriundos dos precipitados, diminuindo a temperatura de fusão da matriz circundante, o que resulta na liquação constitucional; 2) pela fusão instantânea dos precipitados ao se atingir temperaturas superiores à temperatura de fusão do precipitado e inferior à da matriz.
A taxa de aquecimento e a temperatura máxima dependem principalmente das velocidades de rotação e avanço e do deslocamento da ferramenta. A combinação dessas velocidades define o aporte térmico, o qual responde pelas taxas de aquecimento e resfriamento e pelo tempo a alta temperatura (Figura 6.12).
Os ensaios de simulação termomecânica, usando o simulador Gleeble, descritos na seção 6.5.3, não evidenciam a formação de nenhum tipo de estrutura formada por fusão, quando foram reproduzidas as condições de soldagem: temperatura máxima de 400 °C e taxa de aquecimento de 100 °C.s-1.
Com estes resultados e apoiado nas medidas de temperatura realizadas nas juntas finais, é possível descartar a liquação constitucional, pelo menos para as condições de soldagem estudadas. A temperatura máxima durante a soldagem das juntas finais nunca supera 405 °C, o que explica a ausência de líquido produzido por liquação constitucional, descartando simultaneamente a formação de CIM envolvendo este mecanismo.
No entanto, condições mais severas foram igualmente avaliadas, por meio de simulação termomecânica, para verificar se realmente acontece liquação constitucional na liga 6063 e qual a fase responsável pela formação do líquido. Os resultados não foram definitivos, pois foram esporádicos os casos com formação de cavidades cuja possível causa fosse a formação de líquido (ver a Figura 6.41). Grande parte das cavidades se formaram sem a presença de precipitados AlFeSi em volta, o que leva a pensar que os responsáveis pela
liquação sejam os precipitados Mg2Si. Nesta família, existem três tipos de precipitados: β”, β’ e β; o primeiro é o menor e menos estável, seguido pelo β’, ligeiramente maior; os precipitados β são os maiores e mais estáveis. Dentre os três, tanto os precipitados β” quanto os β’ são muito pequenos e instáveis, o que favorece sua dissolução em condições fora do equilíbrio. Os precipitados β são estáveis até 500 °C e seu tamanho evita sua rápida dissolução, o que os aponta como possíveis responsáveis pela eventual liquação constitucional.
Vale destacar que os elementos que inibiram a liquação constitucional na elaboração das juntas finais foram: 1) o uso de parâmetros de soldagem adequados, que resultaram na realização de juntas soldadas cuja temperatura máxima é inferior a 500 °C, promovida pela combinação de baixa velocidade de rotação, velocidade de avanço moderada e o deslocamento da ferramenta pequeno. 2) No caso de a temperatura máxima das juntas ter superado os 500 °C, a liquação constitucional é contornada pela baixa taxa de aquecimento (menor a 100 °C.s-1).
Apesar da não formação de CIM nas juntas produzidas neste trabalho, mas com o interesse de aportar elementos na discussão da formação dos CIM em juntas dissimilares, a seguir são estabelecidos os mecanismos mais prováveis para a aparição das fases deletérias durante a SAPNC em juntas alumínio-aço. Para isso, são analisadas as características dos três mecanismos anteriormente discutidos e comparadas com as particularidades do processo de SAPNC de juntas dissimilares.
a) O primeiro mecanismo, a formação de CIM a partir da liquação constitucional, é o evento mais improvável, já que precisaria superar a temperatura crítica a uma velocidade tal que a dissolução dos precipitados fosse evitada. Durante a SAPNC de juntas alumínio-aço, essas condições dificilmente são atingidas.
b) O segundo mecanismo, a nucleação e o crescimento dos CIM no estado sólido, é mais provável que o mecanismo anterior. A formação de CIM requer duas condições: temperatura máxima acima de 500 °C e tempo suficiente a alta temperatura. A primeira condição se atinge através do aumento no aporte térmico, principalmente elevando a velocidade de rotação e o DT da ferramenta. A segunda condição requer basicamente o aumento no aporte
térmico. Estas duas condições promovem o enriquecimento da matriz de alumínio com átomos de ferro e a posterior transformação dessa região na fase Al3Fe. Porém, a compressão gerada pela ferramenta durante a SAPNC reduz tanto a temperatura quanto o tempo necessários para a incubação das fases, favorecendo a formação dos CIM.
c) O terceiro mecanismo, a formação de CIM durante a solidificação do alumínio parcialmente fundido, é a forma mais provável para a constituição destas fases. Para isso, é necessário atingir temperaturas acima de 550 °C, o que é provável na interface pino-aço. A Figura 6.36, obtida nas juntas preliminares, demonstra o ingresso do alumínio através de microfissuras no aço. Para isso acontecer, além da alta compressão, é necessário que o alumínio esteja suficientemente fluido para facilitar seu acesso nas microtrincas. Esta evidência permite manter a fusão parcial do alumínio como possível causa para a formação dos CIM, embora tais parâmetros estejam próximos àqueles responsáveis pela aderência do alumínio na ferramenta.
8 CONCLUSÕES
O estudo do processo SAPNC em juntas alumínio-aço de chapas finas das liga de alumínio 6063-T5 e o aço AISI SAE 1020 foi abordado em duas etapas: 1) Desenvolvimento de parâmetros para a obtenção de juntas soldadas consolidadas. 2) Caracterização microestrutural. Destas, as seguintes conclusões são tiradas: